چکمه های رباتیک سریعتر از رفلکس ها تعادل را تقویت می کنند

16 فوریه 2023- توسط لنا تینگ، گرگوری اس. ساویکی، مکس شفرد و اوون بک، این چکمه ها برای تعادل مافوق بشری ساخته شده اند. اعتبار: کندلر هابز، موسسه فناوری جورجیا

چکمه های رباتیک که رفلکس های مافوق بشری را ارائه می دهند می توانند به تعادل شما کمک کنند. مطالعه جدید ما نشان می دهد که کلید افزایش تعادل، داشتن چکمه هایی است که می توانند سریعتر از زمان واکنش انسان عمل کنند.

وقتی افراد سر می‌خورند یا می‌لغزند، واکنش‌های آن‌ها برای به دست آوردن تعادل بسیار کندتر از آن است که برخی ماشین‌ها می‌توانند عمل کنند. برای انسان و سایر حیواناتی که پا دارند، حسگرهای بیولوژیکی سیگنال‌هایی را به سیستم عصبی ارسال کرده و سپس عضلات را تحریک می‌کنند. روبات‌ها می‌توانند بسیار سریع‌تر عمل کنند و از سیم‌ها به جای اعصاب برای ارسال سیگنال‌های خود استفاده کنند.

اما ربات‌ها هنوز در تعادل بدن بد هستند، زیرا هنوز نمی‌توانند واکنش انسان‌ها در هنگام به چالش کشیدن تعادل را تقلید کنند. ما مهندسان بیومکانیک و محققین فیزیولوژی توانبخشی هستیم که فیزیولوژی عصبی حرکت را مطالعه می کنیم. در مطالعه خود، ما به دنبال پاسخ به این سوال بودیم که آیا ربات‌های پوشیدنی – مانند اسکلت بیرونی اندام تحتانی یا پروتزها – می‌توانند تعادل را بالاتر و فراتر از یک خط پایه طبیعی بهبود بخشند.

ما از یک وسیله موتوری استفاده کردیم تا به معنای واقعی کلمه فرش را از زیر شرکت کنندگان جوان سالم بیرون بکشیم – آنها را به سمت جلو به سمت زمین پرتاب کردیم. ما از آنها خواستیم که تعادل خود را حفظ کنند و پاهای خود را در جای خود نگه دارند، اما گاهی اوقات لغزش آنقدر زیاد بود که مجبور بودند برای جلوگیری از کاشت صورت روی زمین قدمی بردارند. سپس، ما چکمه‌های خارجی را طوری برنامه‌ریزی کردیم که به شرکت‌کنندگان با تأخیر مشابه پاسخ طبیعی یا به‌طور مصنوعی سریع‌تر از حد امکان انسانی، کمک زیادی به شرکت‌کنندگان ارائه کنیم و آن را با هیچ کمکی به بوت خارجی متصل کردیم.

ما متعجب شده و  متوجه شدیم تنها حالتی که واکنش انسان به ضربه مشت را شکست می‌دهد به کاربران کمک می‌کند تعادل را سریع‌تر بازیابی کنند و مانع از برداشتن قدمی برای بازیابی شوند.

در همان زمان، ما پاسخ‌های فیزیولوژیکی «نمونه های آزمایشی» خود را ضبط کردیم تا ببینیم آیا دستگاه پاسخ‌های تعادلی زیربنایی آنها را تقلید می‌کند یا به طور بالقوه تداخل می‌کند. با استفاده از سونوگرافی، می‌توانیم به زیر پوست نگاه کنیم تا ببینیم چگونه عضلات ساق پا در حین لغزش کشیده می‌شوند. کشش عضلانی سیگنال‌های حسی حیاتی مورد نیاز سیستم عصبی را برای شروع واکنش تعادل تولید می‌کند.

واکنش تعادلی سریعتر از بوت خارجی در واقع سیگنال‌های کشش ماهیچه ساق پا را حذف کرد، اما سیگنال‌های کنترلی به همان عضلات، در پاسخ به سیستم عصبی به طور کلی، ادامه یافت. این یافته نشان می‌دهد که سیستم عصبی بیش از مجموعه‌ای از رفلکس‌های ساده است که به کشش عضلانی موضعی واکنش نشان می‌دهد، اما در عوض برای جمع‌آوری اطلاعات از سرتاسر بدن عمل می‌کند تا هم در ایستادن و هم در راه رفتن صاف بماند.

مردم تمایل دارند تعادل را بدیهی بدانند. اما هر قدم احتمال سقوط را در خود دارد و زمین خوردن های بد یکی از دلایل اصلی کاهش سلامتی با افزایش سن است. اگر محققان بتوانند فناوری کمکی را برای بهبود تعادل در حین رسیدن از اینجا به آنجا توسعه دهند، می‌تواند از سقوط جلوگیری کند و افراد را قادر سازد برای مدت طولانی‌تری فعال باشند.واکنش فوق سریع این اسکلت بیرونی اندام تحتانی به این آزمودنی کمک می کند تا زمانی که کف زیر پای او جابجا می شود روی پای خود بماند.

چه تحقیقات مرتبط دیگری در این زمینه در حال انجام است

استفاده از ربات های پوشیدنی برای کمک به تحرک، به ویژه تعادل، از دیرباز رویای دانشمندان و مهندسان بوده است. اما تحقیقات تا به امروز در درجه اول بر ارائه کمک های برقی برای آسان تر کردن راه رفتن سریع تر یا طولانی تر متمرکز شده است. به غیر از تعداد انگشت شماری از دستگاه های تحقیقاتی مبتنی بر آزمایشگاه امیدوارکننده، حوزه ربات های پوشیدنی تمرکز زیادی روی تعادل نداشته است.

پیشرفت‌های فناوری در دهه گذشته فرصت‌های جدیدی را برای ربات‌های پوشیدنی پیشرفته برای بهبود تعادل ایجاد می‌کند. سایر محققان در سراسر جهان نیز در حال تطبیق سیستم‌های اسکلت بیرونی موجود برای کمک به تعادل با استفاده از الگوریتم‌های کنترلی الهام‌گرفته از بیولوژیکی هستند که ممکن است به مرور زمان بتوانند سریع‌تر از پاسخ بازتابی انسان پاسخ دهند.

مطالعه ما یک اثبات مفهومی است که اسکلت‌های بیرونی می‌توانند تعادل را در یک محیط آزمایشگاهی کنترل‌شده در طول یک کار ساده ایستادن عمودی برای بزرگسالان جوان بدون مشکل تعادل بهبود بخشند. کارهای زیادی باید انجام شود تا ربات‌های پوشیدنی بتوانند به تعادل در زندگی روزمره کمک کنند و زندگی افراد مبتلا به اختلالات تعادل مانند افراد مسن یا افراد مبتلا به سکته مغزی یا آسیب نخاعی را بهبود بخشند. مطالعات آتی برای کشف استفاده از اسکلت بیرونی در سایر مفاصل اندام تحتانی، مانند زانو و لگن، برای توسعه هوش مصنوعی که می‌تواند خطر افتادن را پیش‌بینی کند و تعادل فراانسانی شخصی‌سازی شده را ایجاد کند، مورد نیاز خواهد بود.